パテがくっついた棒の運動

ファインマン流物理がわかるコツ」演習より。パテがとんできて非弾性衝突をした後の棒の運動。

【問題】(大学レベル)

質量が M で長さが L の細い一様な棒が,上端を軸に鉛直面内で自由に回転できるようになっている。質量が同じく M のパテのかたまりが,速さ v で水平にとんできて,棒の一端にあたってくっつく。棒が軸のまわりを回りきるのに必要なパテの初速の下限を求めよ。ただし,重力加速度の大きさを g とする。

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※ Algodoo の設定は,L=4.0 m である。

Algodooシーンのダウンロード
https://www14.atwiki.jp/yokkun?cmd=upload&act=open&pageid=277&file=FMT14-5.phz

【解答】

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パテがくっついた後の棒の軸まわりの慣性モーメントは,

I = \displaystyle\frac{1}{3}ML^2 + ML^2 = \frac{4}{3}ML^2

衝突直後の棒の角速度を \omega とすると,系の軸まわりの角運動量保存により

MvL = I\omega\qquad \therefore \omega = \displaystyle\frac{3v}{4L}

棒が回りきるための条件は,エネルギー保存により

\displaystyle\frac{1}{2}I\omega^2 \gt 2Mg\cdot\frac{3}{2}L\qquad \therefore v \gt \sqrt{8gL}

(初稿:2009/12/23)